跟我学设计模式之工厂模式

工厂模式应用非常之广，在JDK底层源码以及各大主流框架中随处可见，一般以Factory结尾命名的类，比如Mybatis中的SqlSessionFactory，Spring中的BeanFactory等，都是工厂模式的典型代表。

一、简单工厂模式

1.1 概念

简单工厂模式又称为静态工厂模式，属于设计模式中的创建型模式。简单工厂模式通过对外提供一个静态方法来统一为类创建实例，目的是实现类与类之间解耦:客户端不需要知道这个对象是如何被穿创建出来的，只需要调用简单工厂模式的方法来统一创建就可以了，从而明确了各个类的职责。

1.2 示例

简单工厂模式，以生产汽车轮胎为例。

1.2.1 实体类

• 轮胎通用属性

public class Tire {
    /**
     * 通用属性
     */
    private String common;
}

• 奔驰车轮胎

包含通用属性外还有自己的特有属性

public class TireForBenz extends Tire{


    Tire tire;
    /**
     * 特有属性
     */
    private String benz;

    public TireForBenz() {
        this.benz = "得到 Benz 轮胎";
    }


    @Override
    public String toString() {
        return "["+this.benz +"]";
    }
}

• 宝马车轮胎

包含通用属性外还有自己的特有属性

public class TireForBwm extends Tire{

    Tire tire;

    /**
     * 特有属性
     */
    private String bwm;

    public TireForBwm() {
        this.bwm = "得到 Bwm 轮胎";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "["+this.bwm +"]";
    }
}

1.2.2 生产工艺

• 生产轮胎的抽象方法，各个产线有自己的方式生产

public interface TireFactory {

    Tire produceTire();
}

• 奔驰汽车轮胎产线

重写生产轮胎的方法返回奔驰型轮胎。

public class BenzTireFactory implements TireFactory {

    /**
     * 生产奔驰轮胎
     */
    @Override
    public Tire produceTire() {
        System.out.println("奔驰轮胎生产中。。。");
        return new TireForBenz();
    }
}

• 宝马汽车轮胎产线

重写生产轮胎的方法返回宝马型轮胎。

public class BwmTireFactory implements TireFactory {

    /**
     * 生产宝马轮胎
     */
    @Override
    public TireForBwm produceTire() {
        System.out.println("宝马轮胎生产中。。。");
        return new TireForBwm();
    }
}

1.2.3 轮胎工厂类

通过传入的品牌名称调用相应产线生产相应品牌的轮胎

public class SimpleFactoryMode {

    public static TireFactory produceCar(String name) {
        if ("BenzTireFactory".equals(name)) {
            return new BenzTireFactory();
        }
        if ("BwmTireFactory".equals(name)) {
            return new BwmTireFactory();
        }
        return null;
    }
}

1.2.4 测试

客户端通过工厂类获取实例对象。

• 测试方法

 @Test
public void simpleFactoryModeTest() {
    // 造奔驰轮胎
    TireFactory benz = SimpleFactoryMode.produceCar("BenzTireFactory");
    if (null != benz) {
        benz.produceTire();
    }else {
        System.out.println("工厂暂时无法生产奔驰轮胎");
    }
    // 造宝马轮胎
    TireFactory bwm = SimpleFactoryMode.produceCar("BwmTireFactory");
    if (null != bwm) {
        bwm.produceTire();
    }else {
        System.out.println("工厂暂时无法生产宝马轮胎");
    }
    // 造本田汽轮胎(工厂无该方法)
    TireFactory honda = SimpleFactoryMode.produceCar("Honda");
    if (null != honda) {
        honda.produceTire();
    }else {
        System.out.println("工厂暂时无法生产本田轮胎");
    }
}

• 结果

奔驰轮胎生产中。。。
宝马轮胎生产中。。。
工厂暂时无法生产本田轮胎

该方式确实能完成不同品牌的轮胎生产，但是，有个问题：方法参数是字符串，可控性有待提升。

1.3 简单工厂模式优化

不要通过传入的字符串来判断需要创建对象，而是客户端想要创建什么对象，只需要传入具体的实现类就可以了，然后通过Java的反射来创建对象。

public static TireFactory produceCar(Class<? extends TireFactory> clazz) {
    try {
        // 通过Java的反射来创建对象
        return clazz.newInstance();
    } catch (InstantiationException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (IllegalAccessException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return null;
}

每次创建对象都是通过反射来创建的，所以在性能上是有一定的损耗。

• 测试

public void simpleFactoryModeUpgradeTest() {
    // 造奔驰轮胎
    TireFactory benzTire = SimpleFactoryMode.produceCar(BenzTireFactory.class);
    TireForBenz benz = (TireForBenz) benzTire.produceTire();
    System.out.println(benz.toString());
    // 造宝马轮胎
    TireFactory bwmTire = SimpleFactoryMode.produceCar(BwmTireFactory.class);
    TireForBwm bwm = (TireForBwm) bwmTire.produceTire();
    System.out.println(bwm.toString());
}

• 结果

奔驰轮胎生产中。。。
[得到 Benz 轮胎]
宝马轮胎生产中。。。
[得到 Bwm 轮胎]

1.4 小结

简单工厂模式确实在一定程度上实现代码的解耦，而这种解耦的特点在于，这种模式将对象的创建和使用分离。这种模式的本质在于通过一个传入的参数，做if...else判断，来达到返回不同类型对象的目的。缺点也很明显，不符合开闭原则（比如新增一个保时捷轮胎的生产，除了需要增加实体和生产方法，还需要修改工厂类SimpleFactoryMode.java）。因此，如果需要增加新的类型，就不得不去修改原来的代码，违反开闭原则。

• 简单工厂模式优点：

1. 简单优化了软件体系结构，明确了各自功能模块的职责和权利；
2. 通过工厂类，外界不需要直接创建具体产品对象，只需要负责消费，不需要关心内部如何创建对象。

• 简单工厂模式缺点：

1. 改进前的简单工厂模式全部创建逻辑都集中在一个工厂类中，能创建的类只能是考虑到的，如果需要添加新的类，就必须改变工厂类了;
2. 改进前的简单工厂模式随着具体产品的不断增多，可能会出现共产类根据不同条件创建不同实例的需求，这种对条件的判断和对具体产品类型的判断交错在一起，很难避免功能模块的蔓延，对系统的维护和扩展不利;
3. 改进后的简单工厂模式主要是使用反射效率会低一些。

二、工厂方法模式

• 简单工厂模式之所以违反开闭原则，关键在于什么？

那就是它把所有对象的创建都集中在同一个工厂类里面了，因此，当新增一个新对象时，必然会需要修改这个共享工厂类，违反开闭原则自然不可避免。

• 解决方案

既然问题关键在于，所有对象的创建都跟这个唯一的工厂类耦合了，那我每个对象各自都配置一个单独的工厂类，这个工厂类只创建各自类型的对象，那这样不就解决耦合的问题了吗？

2.1 概念

工厂方法模式是指定义一个创建对象的接口，但让实现这个接口的类来决定实例化哪个类。工厂方法让类的实例化推迟到子类中进行。在工厂方法模式中用户只需要关心所需产品对应的工厂，无须关心创建细节，而且加入新的产品符合开闭原则。

2.2 示例

工厂方法模式，以生产发动机为例。

2.2.1 实体

• 发动机的通用属性

public class Engine {

    /**
     * 型号
     */
    private String common;

}

• 奔驰发动机

包含通用属性外还有自己的特有属性

public class EngineForBenz extends Engine{

    Engine engine;
    /**
     * 特有属性
     */
    private String benz;

    public EngineForBenz() {
        this.benz = "得到 Benz 发动机";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "["+this.benz +"]";
    }
}

• 宝马发动机

包含通用属性外还有自己的特有属性

public class EngineForBwm extends Engine{

    Engine engine;
    /**
     * 特有属性
     */
    private String bwm;

    public EngineForBwm() {
        this.bwm = "得到 Bwm 发动机";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "["+this.bwm +"]";
    }
}

2.2.2 生产工艺（发动机的工厂类）

• 抽象工厂类，定义生产发动机的方法，各个产线自己的去实现

public interface EngineFactory<T> {

    Engine produceEngine();

}

• 创建奔驰子工厂，实现其的工艺

public class BenzEngineFactory implements EngineFactory<EngineForBenz> {

    /**
     * 生产奔驰发动机
     */
    @Override
    public Engine produceEngine() {
        System.out.println("奔驰发动机生产中。。。");
        return new EngineForBenz();
    }
}

• 创建宝马子工厂，实现其的工艺

public class BwmEngineFactory implements EngineFactory<EngineForBwm> {

    /**
     * 生产宝马发动机
     */
    @Override
    public Engine produceEngine() {
        System.out.println("宝马发动机生产中。。。");
        return new EngineForBwm();
    }
}

2.2.3 测试

@Test
public void factoryModeTest() {
    // 造奔驰发动机
    EngineFactory car = new BenzEngineFactory();
    EngineForBenz benz = (EngineForBenz) car.produceEngine();
    System.out.println(benz.toString());
    // 造宝马发动机
    EngineFactory carFactory = new BwmEngineFactory();
    EngineForBwm bwm = (EngineForBwm) carFactory.produceEngine();
    System.out.println(bwm.toString());
}

• 结果

奔驰发动机生产中。。。
[得到 Benz 发动机]
宝马发动机生产中。。。
[得到 Bwm 发动机]

2.3 小结

工厂方法模式轻松解决了简单工厂模式的问题，符合开闭原则。在上面例子中，当需要新增一个保时捷汽车，此时只需要提供一个对应的EngineForBSJ.java实现produceEngine()方法即可，对于原先代码再不需要做任何修改。

但是每个类型的对象都会有一个与之对应的工厂类。如果对象的类型非常多，意味着会需要创建很多的工厂实现类，造成类数量膨胀，对后续维护带来一些麻烦。

• 缺点

1. 客户端（应用层）不依赖于产品类实例如何被创建、实现等细节；
2. 一个类通过其子类来指定创建哪个对象。

• 缺点

1. 类的个数容易过多，增加复杂度；
2. 增加了系统的抽象性和理解难度。

三、抽象工厂模式

抽象工厂模式出现，就是为了解决上述工厂方法模式存在的问题，可以看成是工厂方法模式的升级。

3.1 背景

• 类数量膨胀的情景

工厂方法模式创建的对象其实归根到底都是同一类对象。以汽车生产为例，无论是轮胎还是发动机，都是汽车生产的一部分，都是属于汽车生产的过程。如下图：

由上图我们可以发现，虽然分为奔驰车和宝马车，但是从工厂方法角度，他们都属于汽车这一类别，这就导致了需要单独为每一个零件指定各自的工厂类，从而导致了类数量膨胀的问题。

• 解决方案

既然这样，我们可以把每类汽车指定一个工厂，然后再让不同产线去生产他需要的产品，如下图

这样当每一类物品组件数量特别多，可以把它称为产品族。抽象工厂模式就是为了创建一系列以产品族为单位的对象，这样在需要创建大量系列对象时可以大大提高开发效率，降低维护成本。

3.2 示例

因为奔驰轮胎/宝马轮胎/奔驰发动机/宝马发动机的实体在前面已经创建过，这里就直接用了。

3.2.1 汽车工厂类(顶层抽象工厂类)

该类已包含轮胎/发动机生产，具体实体键一/二中相关实体。

public interface CarFactory {

    /**
     * 准备生产
     */
    void init();

    /**
     * 生产轮胎
     * @return
     */
    Tire produceTire();

    /**
     * 生产发动机
     * @return
     */
    Engine produceEngine();
}

3.2.2 奔驰汽车产品族（奔驰汽车工厂类）

public class BenzCarFactory implements CarFactory{


    @Override
    public void init() {
        System.out.println("----------------------- 奔驰汽车准备生产 -----------------------");
    }

    @Override
    public Tire produceTire() {
        System.out.println("正在生产奔驰轮胎");
        return new TireForBenz();
    }

    @Override
    public Engine produceEngine() {
        System.out.println("正在生产奔驰发动机");
        return new EngineForBenz();
    }
}

3.2.2 宝马汽车产品族（宝马汽车工厂类）

public class BwmCarFactory implements CarFactory{


    @Override
    public void init() {
        System.out.println("----------------------- 宝马汽车准备生产 -----------------------");
    }

    @Override
    public Tire produceTire() {
        System.out.println("正在生产宝马轮胎");
        return new TireForBwm();
    }

    @Override
    public Engine produceEngine() {
        System.out.println("正在生产宝马发动机");
        return new EngineForBwm();
    }
}

3.2.3 测试

@Test
public void abstractFactoryModeTest() {
    // 生产奔驰整车的零部件
    CarFactory benz = new BenzCarFactory();
    benz.init();
    TireForBenz benzTire = (TireForBenz) benz.produceTire();
    System.out.println(benzTire.toString());

    EngineForBenz benzEngine = (EngineForBenz) benz.produceEngine();
    System.out.println(benzEngine.toString());

    // 生成宝马整车的零部件d
    CarFactory bwm = new BwmCarFactory();
    bwm.init();
    TireForBwm bwmTire = (TireForBwm) bwm.produceTire();
    System.out.println(bwmTire.toString());

    EngineForBwm bwmEngine = (EngineForBwm) bwm.produceEngine();
    System.out.println(bwmEngine.toString());
}

• 结果

----------------------- 奔驰汽车准备生产 -----------------------
正在生产奔驰轮胎
[得到 Benz 轮胎]
正在生产奔驰发动机
[得到 Benz 发动机]
----------------------- 宝马汽车准备生产 -----------------------
正在生产宝马轮胎
[得到 Bwm 轮胎]
正在生产宝马发动机
[得到 Bwm 发动机]

3.3 思考

既然说抽象工厂模式是工厂方法模式的升级，那到底升级了啥？

其实是由原来的单一产品的生产升级成为了系列产品的生产。设想一下，假设上面汽车的例子中，每一品牌汽车中就只生产一种部件，比如就只生产发动机，不生产轮胎等其他组件了，如下图

发现了什么没有？抽象工厂模式居然转变为我们之前讲过的工厂方法模式了！换句话说，当你的产品族中只生产一种产品的时候，你的抽象工厂模式其实已经退化为工厂方法模式了。反过来说，当生产多种产品时，工厂方法模式就进化为抽象工厂模式。

3.4 小结

抽象工厂模式在创建大量系列对象时可以大大提高开发效率，就是为生产产品族而生的，而对于生产单一产品却无能为力。

如果需要添加一个新的产品族，那就简单了，比如新增一个保时捷汽车，那就只需要添加一个保时捷汽车的工厂实现类就好了，并不会对原有的代码造成任何影响。

但是，如果假设在汽车中，我需要再加一个组件，比如倒车影像，怎么操作？你需要在CarFactory接口中添加返回倒车影像对象的接口。这一加不得了了......所有品牌汽车实现类全部需要修改并追加该方法的实现，违反了开闭原则。

• 抽象工厂模式优点：

创建大量系列对象时可以大大提高开发效率，降低维护成本。

• 抽象工厂模式缺点：

1. 规定了所有可能被创建的产品集合，产品族中扩展新的产品困难，需要修改抽象工厂的接口；
2. 增加了系统的抽象性和理解难度。

四、总结

4.1 如何选择

工厂模式的三种形式都介绍完了，那我们实际开发中该如何去选择呢？

1. 从设计原则来说，简单工厂模式不符合开闭原则。但是很神奇，在实际场景中，简单工厂模式确实用的最多的。
2. 工厂方法模式是专门用于解决单个对象创建工作，本身模式没问题，也符合开闭原则。但是存在工厂类数量膨胀的问题。如果需要创建的工厂类不是很多，是一种不错的选择。
3. 抽象工厂模式天生就是为生产产品族而生的。所以如果你需要创建的对象非常之多，但是对象之间存在明显产品族特征，那么这个时候用抽象工厂模式非常合适。

4.2 示例源码

Github 示例代码

4.3 技术交流

1. 风尘博客：https://www.dustyblog.cn
2. 风尘博客-掘金
3. 风尘博客-博客园
4. Github
5. 公众号

参考文章